DE2206098A1 - Koppelfeld fuer ein vermittlungssystem von nachrichtenkanaelen, vorzugsweise im optischen frequenzbereich - Google Patents
Koppelfeld fuer ein vermittlungssystem von nachrichtenkanaelen, vorzugsweise im optischen frequenzbereichInfo
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- G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
Description
Philips Patentverwaltung GmbH., 2 Hamburg 1, Steindamm 94
Koppelfeld für ein Vermittlungssystem von Nachrichtenkanälen, vorzugsweise im optischen Frequenzbereich
Die Erfindung betrifft ein Koppelfeld für ein Vermittlungssystem mit Eingangs- und Ausgangskanälen von Trägern, deren Modulation
oder Demodulationsprodukt vorzugsweise im optischen Bereich liegt.
Der wachsende Bedarf an privatem und kommerziellem Informationsaustausch
stellt ständig größer werdende Forderungen an die Bandbreite und Vielfalt von Dateflivermittlungs- und Datenübertragungssystemen.
Durch die Fortschritte auf dem Gebiet der optischen Lichtfaserleitungen
und der Halbleiterlaser kündigt sich auf dem Gebiet der Datenübertragungstechnik bereits eine völlig neue Technologie
an, mit der möglicherweise einmal die Übertragung von
PHD 72/011/M -2-
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Nachrichten mit 50 oder gar 100 GHz Bandbreite über ein einziges Kabel aus Lichtfasern realisiert werden kann.
Die bei diesem Anwachsen der Bandbreiten auftretenden Probleme der Nachrichtenvermittlung versucht man zur Zeit durch die Entwicklung
von rein elektronisch arbeitenden Vermittlungsstationen zu lösen.
Für eine Vermittlungsstelle für 10 000 Videotelefone müßte, um eine einwandfreie Übertragung zu gewährleisten, pro Kanal eine
Bandbreite von mehreren MHz vorgesehen werden. Wenn zudem eine hohe Belegungsdichte angestrebt würde, müßte ein solches System
eine Bandbreite von über 10 GHz verarbeiten.
Andererseits sind auf optischer Grundlage arbeitende Massenspeicher
bekannt. Bei bestimmten optischen Komponenten, z.B. digitale Laserstrahlablenker und löschbare Speicherhologramme, die
für solche Massenspeicher entwickelt werden, können auch für Lösungen des Nachrichtenvermittluhgsproblems eingesetzt werden.
Vermittlungssysteme mit digitalen Lichtablenkern in Verbindung mit Zeitmultiplexsystemen sind bekannt. Die Gesamtbandbreite
für eine parallele Signalvermittlung ist bei solchen Sjrstemen mit ein oder zwei Lichtablenkern durch die schnelle Impulsfolge
begrenzt, die elektronische Komponenten übertragen können. Diese elektrooptischen Hultiplexsysteme sind daher für eine große
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Zahl von Kanälen mit relativ kleiner Bandbreite geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Vielzahl von Informationskanälen wählbar zwei oder mehrere Kanäle großer Bandbreite
paarweise oder in Gruppen miteinander zu verbinden. Eine solche Aufgabe liegt z.B. bei Koppelfeldern für die Vermittlung von
Ein- und Ausgangskanälen bei Multiplex-Computer-Systemen oder großen Datenbanken und bei der Vermittlung von Fernsehtelephonbilfern
vor.
Diese Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß zwischen den
optischen Ausgängen der Eingangskanäle und den optischen Eingängen
der Ausgangskanäle eine in Stufen oder digital steuerbare Lichtablenkung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit vom Einfallswinkel
einen oder mehrere der Ausgänge mit einem oder mehreren der entsprechend angeordneten Eingänge kontaktfrei verbindet. Der
Begriff "optisch" ist hierbei nicht auf den sichtbaren Wellenlängenbereich
beschränkt, sondern umfaßt auch die ihe benachbarten Bereiche des Ultrarots und des Ultravioletts«
Als Lichtablenker können vorzugsweise Speicherhologramme verwendet
werden, z.B. Anordnungen, in denen ein optisches Interferenzmuster löschbar festgehalten werden kann. Das gespeicherte
Interferenzmuster kann dann zur Richtungsmodulation einfallenden Lichtes durch Beugung benutzt werden.
Verglichen mit konventionellen Vermittlungstechnikeji fällt bei
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dem System nach der Erfindung eine Gruppierung der angeschlossenen
Nachrichtenkanäle ,fort. Alle Kanäle sind gleichberechtigt und können in einer Schaltebene wahlfrei untereinander verbunden
werden. Darüber hinaus können alle Informationseingangskanäle gleichzeitig mit je einem Ausgangskanal verknüpft werden,
d.h. es ist eine 100%ige Belegung aller Kanäle möglich.
Die Bandbreite der Übertragung jedes Einzelkanals ist theoretisch durch die Frequenzabhängigkeit der Beugung am Hologramm begrenzt.
Eine nicht monochromatische Lichtwelle erzeugt verbreiterte Beugungsordnungen,
die jedoch erst dann störend werden, wenn durch sie die gewünschte Auflösung benachbarter Beugungswinkel zu sehr
verringert wird. Unterhalb einer Bandbreite von einem Prozent der Lichtfrequenz wird in der Praxis die Begrenzung der Bandbreite
jedes Kanals durch andere Systemkomponenten, wie z.B. Photodetektoren und Lichtmodulatoren gesetzt. Lichtmodulationsund
Demodulationssysteme für Bandbreiten von mehr als einem GHz sind bereits praktisch realisiert worden. Für eine größere Matrix
von Lichtmodulatoren kann bei dem gegenwärtigen Stand der Technologie eine Bandbreite von 10 MHz ohne weiteres verwirklicht
werden. In Verbindung mit einer Speichermatrix von nur 10 000 Hologrammen ergibt sich damit bereits eine Gesamtbandbreite von
100 GHz, die das System verarbeiten könnte.
Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele dar.
Es zeigen:
Fig. 1a und b Prinzipskizzen des Koppelfeldes,
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Fig. 2 eine Skizze zur Erläuterung des optischen Prinzips,
Fig. 3 das Prinzip der optischen Vermittlung bzw. Kopplung durch Lichtablenkung,
Fig. 4 ein Prinzip der Vermittlungskopplung über ein Speicherhologramm,
Fig. 5 eine schematische Vermittlungskopplung zwischen verschiedenen
Eingangskanälen und Ausgangskanälen,
Fig. 6 eine Anordnung zur wahlfreien selektiven Beleuchtung eines Hologramms in einer Matrix von Hologrammen,
Fig. 7 ein optisches Vermittlungskopplungssystem mit digitalem Lichtablenker und Speicherhologrammen,
Fig. 8a und b ein Schema einer Eingabematrix von elektrooptischen Wandlern,
Fig. 9 eine Maske mit elektronisch steuerbarer Transparenz.
Zur Erläuterung des Grundgedankens der optischen Vermittlungskopplung wird von Fig. 1a und b ausgegangen. Alle Nachrichtenkanäle,
die an das Vermittlungssystem angeschlossen sind, sind nach Eingangskanälen A....D, die eine Information anliefern und
nach Ausgangskanälen A1....D1, die eine Information abführen,
geordnet. Die erstgenannte Gruppe von Kanälen wird an einer Matrix MA1 von Eingangseinheiten angeschlossen. Für den Fall,
daß von einer elektronischen Einkopplung der Information ausgegangen wird, bestehen die Eingangseinheiten aus elektrooptischen
Wandlern a d. Jede Eingangseinheit erzeugt dann einen im
Takte der eingehenden Nachricht modulierten Lichtstrahl. Hinter dieser Matrix von Eingangseinheiten ist eine Matrix MA2 von
Lichtablenkern LA1....LA4 angeordnet. Durch diese kann jeder
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der eingehenden Lichtstrahlen in eine beliebig wählbare Richtung abgelenkt werden. Die so abgelenkten Lichtstrahlen werden
dann in einer Ausgangsmatrix MA3 von Photoempfängern a' d1
aufgegriffen. Diese fungieren als optoelektronische Wandler und leiten die empfangenen Nachrichten an die Gruppe der Ausgangskanäle
A1 D1 ab.
Bei einem rein optischen Betrieb (Fig. 1b) wird die Eingangsmatrix MA11 z.B. aus dem Ende eines optischen Kabels mit vielen
Lichtleitern LL gebildet, deren Licht in das System eingekoppelt wird. Die Auskopplung erfolgt auch wieder optisch in
ein zweites Lichtleiterkabel LLf für die abgehenden Informationen
(Matrix MA'3).
Die Zahl der Lichtablenker in der Kopplungsmatrix entspricht der Zahl der an das System angeschlossenen Eingangskanäle. Für
z.B. 10 000 Eingangskanäle werden also auch 10 000 Lichtablenker
benötigt. Es müssen daher möglichst einfache und billige Lichtablenkverfahren benutzt werden, z.B. akustisch steuerbare
Digitallichtablenker, deren Lichtstrahlversetzung oder -winkelveränderung digital erfolgt oder Reflexionsspiegelmatrizen, bei
deren einzelnen Spiegeln eine Bewegung der Reflexionsebene stufenartig steuerbar ist.
Speicherhologramme, wie sie die Grundlage für optische Massenspeicher
bilden, bieten sich als sehr einfache Lösung an.
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Solche Speicherhologramme besitzen Abmessungen in der Größenordnung
von 1 mm 0, d.h. eine Matrix von 10 000 solcher Hologramme erhält mit ausreichendem Sicherheitsabstand zwischen den HoIo-
grammen nur eine Größe von etwa 15 x 15 cm , d.h. auf sehr kleinem
Raum kann eine Vermittlungsmatrix für 10 000 Teilnehmer realisiert werden. Nachfolgend wird sich eingehender mit der Wirkungsweise
der Lichtablenkung über Hologramme beschäftigt.
Bei der Überlagerung von zwei ebenen kohärenten Lichtwellen R und AW (Fig. 2) in einer Fläche 1-1' entsteht ein streifenförmiges
Interferenzmuster I mit sinusförmiger Intensitätsverteilung. Die Ortsfrequenz FQ dieses Interferenzmusters hängt vom Winkel γ
zwischen den beiden ebenen Wellen ab und beträgt
„ _ sin ν
F0 - "λ" '
wobei λ die Lichtwellenlänge bedeutet. Die Aufnahme der entstandenen
Interferenzmuster in einem optischen Speichermaterial, z.B. als Schwärzungsverteilung nenrfc man ein Hologramm der Zweistrahlinterferenz.
Die Schwärzungsverteilung stellt ein optisches Beugungsgitter dar. Wird daher das Hologramm erneut mit der ebenen
Lichtwelle R beleuchtet, dann wird Licht in eine nullte und plus bzw. minus erste Beugungsordnung gebeugt.>
Ein solcher Vorgang einer Aufnahme - und Rekonstruktionsanordnung von Lichtwellen ist in Fig. 3 und 4 skizziert. Die Fig. 3
enthält eine Anzahl von kohärenten Lichtwellen L,, Lc, ein
Speicherhologramm H, eine Anzahl von Photodetektoren E^ E1-
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und einen Lichtmodulator LM. Mit Hilfe der skizzierten Anordnung soll das Signal S am Eingang des Lichtmodulators LM wählbar zu
einem der Empfänger E^ Ej- vermittelt werden. Soll zum Beispiel
der Empfänger E2 angesteuert werden, dann wird zunächst
mit Hilfe eines Referenzlichtstrahles R* ein Hologramm der kohärenten
Lichtquelle L2, welche dem Empfänger spiegelbildlich zugeordnet
ist, aufgenommen. Die Technik einer solchen Hologrammaufnahme ist bekannt.
Das Hologramm H enthält dann ein gitterfömiges Interferenzmuster. Nach der Aufnahme des Hologramms werden der Referenzstrahl R.
und die Lichtquelle Lp abgeschaltet und ein zweiter Referenzstrahl
Rp eingeschaltet. Dieser wird am Interferenzmuster des Hologramms H
so beeinflußt, daß ein Teil seines Lichtes zum Empfänger Ep abgebeugt
wird. Daneben entstehen in bekannter Weise weitere Beugungsordnungen, die aber nicht auf die Detektoranordnung fallen. Modeliert
man nun den Referenzstrahl R2 mit dem Signal S, dann wird
dieses Signal über das Hologramm optisch zum Empfänger E2 übertragen.
Eine nachfolgende Änderung des Übertragungsweges zum Beispiel zum Empfänger Ελ kann so vorgenommen werden, daß das Hologramm
H der Lichtquelle L2 wieder gelöscht und statt dessen ein
Hologramm der Lichtquelle L. aufgenommen wird usw.
Hologramme, in die eine Information eingeschrieben und wieder gelöscht werd&n kann, sind im Prinzip bekannt. Die Techniken hierzu
werden zur Zeit für die Anwendung in holographischen Massen-
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speichern entwickelt.Als Speichermaterial dienen dabei dünne
magnetische Schichten (z.B. Manganwismut), photochrome Materialien, thermoplastische Werkstoffe, elektrooptische Kristalle,
die den Effekt des "Optical Damage" aufweisen, oder Elastomere. Die zur Aufnahme eines Hologramms benötigten Zeiten liegen in der Größenordnung von Nanosekunden bei Manganwismut
als Speichermaterial und mehreren Sekunden bei Thermoplasten. Der Beugungswirkungsgrad bei letzterem Material kann
z.B. bis zu 10% betragen.
Die Technik der Lichtmodulation und der Detektion von modulierten Lichtstrahlen ist bekannt. Übertragungsbandbreiten
von 100 MHz entsprechen dem Stand der Technik.
Der Referenzstrahl R2 kann auch ein inkohärenter Lichtstrahl
sein. Die Strahlen R1 und die Lichtquellen L1.....Lc müssen
dagegen kohärent sein.
Nach Fig. 4 sind zwei kohärente Punktlichtquellen A1 und R1 bei
der Aufnahme in der eingangsseitigen Brennebene einer Linse Li1
angeordnet. Durch die Linse werden die entstehenden Kugelwellen in ebene Wellen überführt, die sich rechts der Linse Li1 im
Hologramm H überlagern.
Bei der Rekonstruktion wird nur die Punktlichtquelle R1 eingeschaltet.
Hinter dem Hologramm entstehen dann die drei
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Beugungsordnungen, von denen die erste Beugungsordnung durch die Linse Li2 hindurch zu einem Lichtfleck A',, in der Brennebene 2-2'
fokussiert wird. Dieser rekonstruierte Lichtpunkt stellt das aus dem Hologramm ausgelesene "Bild" des Objektpunktes A1 bei
der Aufnahme dar.
Bezogen auf die nachrichtentechnische Anwendung stellt das so hergestellte Hologramm einen Lichtablenker dar, der das Licht
der Welle R1 in den Punkt A1^ ablenkt, wobei der Lichtmodulator
LM den Laserstrahl LS mit dem Signal S moduliert.
Wird bei der Aufnahme des Hologramms die Position des Punktes A1 nach Ag verschoben, dann verschiebt sich entsprechend punktsymmetrisch
die Lage des rekonstruierten Bildpunktes A1.. nach
A12» oder anders ausgedrückt: Es verändert sich der Ablenkwinkel
bei der Rekonstruktion durch eine Veränderung der Ortsfrequenz des Streifenmusters im Hologramm.
Die beschriebene Hologrammanordnung kann in einfacher Weise zu einem elektrooptischen Koppelfeld eines Vermittlungssystems
ausgebaut werden. Dazu werden an den rekonstruierten Bildpunkten A^ und A'p Photoempfänger PE.., PEp angeordnet und die einfallende
Lichtwelle R1 mit Hilfe des Lichtmodulators LM moduliert.
Entsprechend der Wahl einer Lichtquelle A1 oder A2 bei der
Hologrammaufnahme wird dann das elektronisch in den Lichtmodulator eingekoppelte Signal S wahlweise zum Empfänger D1 oder D2
übertragen.
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Werden in der Hologrammebene nicht nur eines, sondern mehrere
Hologramme angeordnet, dann können gleichzeitig mehrere Referenzstrahlen
über die Hologramme abgelenkt werden, d.h. es können simultan mehrere Signale vermittelt werden.
Eine Modifizierung der Anordnung nach Fig. 4 ist in Fig. 5 skizziert. Die Figur enthält wiederum kohärente Lichtquellen
L^ L1- und Empfangsdetektoren zu Ausgangskanälen E^ ... .Ec.
Daneben findet man drei Lichtmodulatoren für drei Eingangskanäle mit den Signalen S^ S,. Anstelle eines Hologramms
sind drei Hologramme H^, Hg, H, eingezeichnet. Als abgeändertes
Beispiel sind die Hologramme hier zwischen Linsen Li1,., Li'ρ angeordnet,
deren Brennweiten so gewählt sind, daß für jedes der Hologramme derselben Referenzstrahl zur Aufnahme und Wiedergabe
verwendet werden kann. Dieser Hologrammtyp ist unter dem Namen Fouriertransformationshologramm bekannt.
Der Aufbau einer Verbindung zum Beispiel zwischen dem Eingangskanal S1 und dem Ausgangskanal E, erfolgt ähnlich wie bei Anordnung
nach Fig. 3, nur wird zur Aufnahme des Hologramms und zur Signalübertragung derselbe Referenzstrahl verwendet. Nach
diesem Verbindungsaufbau können die weiteren Eingangskanäle ebenfalls mit noch nicht benutzten Ausgangskanälen verbunden
werden, d.h. mit der Anordnung nach Fig. 5 ist eine wählbare und simultane Übertragung zwischen mehreren Ein- und Ausgangskanälen
möglich.
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In der Praxis können die Hologramme Abmessungen in der Größen-
2
Ordnung von 0,5 1 mm erhalten. Eine große Zahl von
Ordnung von 0,5 1 mm erhalten. Eine große Zahl von
solchen Hologrammen (z.B. 10 000) kann auf relativ kleiner Fläche (z.B. 15 x 15 cm ) untergebracht werden. Es eröffnet sich
damit die Möglichkeit, die Information von Tausenden von Eingangskanälen über eine relativ kleine Hologrammatrix zu vermitteln.
Die Anordnung nach Fig. 5 enthält allerdings noch einen Nachteil.
Eine eingeschaltete Lichtquelle L^ L,- beleuchtet
nämlich alle Hologramme gleichzeitig. Dagegen sollte zu einem bestimmten Zeitpunkt einer Hologrammaufnahme eigentlich nur
dieses eine Hologramm beleuchtet werden. Dadurch können bei einer Hologrammaufnahme Störungen der bereits im Betrieb befindlichen
Übertragungsstrecken entstehen. Dieser Nachteil wird mit dem in Fig. 6 skizzierten System vermieden.
Das System ist aus einem Laser, einem digitalen Lichtablenker OLA,
einer Fliegenaugenlinse FlA1, einer elektronisch schaltbaren
Maske MS1, der Matrix MA'2 von Hologrammen E- H,- und aus
speziellen Linsensystemen Li^ Li1- aufgebaut.
Der Laserstrahl LS wird zunächst durch einen digitalen Lichtablenker
OLA auf eine beliebige Einzellinse FJ5JD der Fliegenaugenlinse
FlA1 abgelenkt. Durch diese Einzellinse z.B. FlE/ kurzer Brennweite spaltet sich der Strahl räumlich auf und
beleuchtet dadurch in seinem weiteren Verlauf die gesamte
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Fläche der Schaltmaske MS'. Die Linse LN2 dient dabei dazu,
das Zentrum des aufgespreizten Strahles auf die Mitte der Schaltmaske zu lenken. Die Linsen LN^ und LN, besitzen die
Funktion von Kollimatoren. Dadurch tritt der vor der Linse LN,
divergente Lichtstrahl als ebene Welle in die Schaltmaske MS1
ein, welche nur an einer bestimmten Stelle A,. für das Licht
transparent ist. Dieses beleuchtete Loch repräsentiert die für die Hologrammaufnähme erforderliche Lichtquelle, und das
hindurchtretende Licht wird dann über die Linse LN^ auf die
Fläche eines Hologramms fokussiert.
Bei der Veränderung der Lage des Loches A. in der Schaltmaske
MS1 wird nach wie vor dasselbe Hologramm H^ beleuchtet, nur
trifft die beleuchtende Welle unter einem anderen Winkel auf
2 das Hologramm auf. Entsprechend einer Zahl von N gewünschten Aufnahmepositionen wird daher die Schaltmaske in N χ Ν Teilgebiete
gegliedert, deren Transparenz sich elektronisch beliebig wählbar von undurchsichtig auf durchsichtig oder umgekehrt
schalten läßt.
Die beiden Linsen LN-, und LN^ bilden ein· optisches Abbildungssystem
zwischen der Ebene der Fliegenaugenmatrix FlA' und der Hologrammebene, d.h. jede beliebig beleuchtete Einzellinse FlJS
der Linsenmatrix FlA' wird auf eines der Hologramme H^. Hc
abgebildet. Die Zahl und Anordnung der Hologramme entspricht exakt der Zahl und Anordnung der Einzellinsen der Fliegenaugenmatrix
FlA1. Wird daher durch Umschalten des Lichtabienkers OLA1
' . -14-
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eine andere Teillinse beleuchtet, dann wird entsprechend ein anderes Hologramm angesteuert.
Neben den Eingangskanälen AS^ AS^ mit zugeordneten Lichtmodulatoren
LM> die in Matrixform angeordnet sind, den Ausgangskanälen
AE1 AJL mit ihrer Photodetektormatrix MA1 und
der Hologrammatrix MA2 enthält das System nach Fig. 7 einen digitalen Lichtablenker DL, einen passiven Strahlenteiler TI,
eine Maske MS mit elektronisch schaltbarer Transparenz und eine Fliegenaugenlinse FLA (Linsenmatrix). Zur Erklärung des
Systems werde zunächst die bereits aus den Fig. 3 und 5 bekannte Übertragung der Signale S zu den Empfängern E erläutert, wobei
angenommen sei, daß sich die Hologramme H>|. . .. .Ηλ schon in
einer der gewünschten Vermittlung entsprechenden Schaltstellurig
befinden.
Ein Lichtstrom LS wird durch einen passiven Strahlvervielfacher "V in IM Teilstrahlen aufgespalten. Dabei bedeutet N (N = 4 in
Fig. 7) die Anzahl der Eingangskanäle· Passive Strahlteiler aus doppelbrechenden Prismen oder aus Multiplex-Phasenhologrammen
sind bekannt. Das aufgespaltene Strahlenbündel wird über einen Strahlteiler T^ und eine Projektionsoptik P* auf die
Matrix von Lichtmodulatoren LM projiziert. Die optischen Komponenten sind so abgestimmt, daß die Teilstrahlen parallel in
die Lichtmodulatoren eintreten.
Als Beispiel sind in Fig. 7 elektrooptische Lichtmodulatoren
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mit einseitig verspiegeltor Endfläche skizziert. *D5~e~
tendon Lichtstrahlen verlassen die Modulatoren daher in umgekehrter Richtung, Die modulierten Strahlenteile v/erden über
Polar.ioationeteiler seitwärts ausgekoppelt und über einen
Spiegel Sp1 auf die Matrix HA2 von Hologrammen projiziert.
Von dort wird jeveils ein Teil der Strahlen zu den jeweils
zugeordneten Empfangskanälen AE1.«.,.AE4 abgobeugt. Simultan
können maximal N Eingangskanäle ihre Nachricht an zugeordnete Ausgangskanäle übertragen. Die Zahl N kann .dabei z.B. 10 000
betragen. ·
Anstelle der elektrooptischen Lichtmodulation können natürlich auch sinngemäß andere denkbare Licbtmodulätionsverfahren verwendet
werden. · ·
,Die über den Strahlteiler V zugeführten Lichtstrahlen .dienen
nur der Signalübertragung. Ihre Lichtleistung ist entsprechend gering, damit sie keine Veränderung der fixierten Hologramme
herbeiführen.
Zum Löschen eines Hologramms oder zur erneuten Hologrammaufnahi.ie
wird ein zweiter Lichtstrahl mit wesentlich höherer Lichtleistung über einen digitalen Lichtablenker DL, vorzugsweise
ein Laser-Lichtablenker LA, und einen Strahlteiler T1 in
den Strahlengang der Signalübertragung eingespiegelt.·.' Der Lichtablenker kann dabei so gesteuert werden (C), ·
daß der zusätzliche Lichtstrahl nach Durchlaufen der Modula-
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tionsanordnung auf ein beliebiges der Hologramme auftrifft.
Diese Steuerung erfolgt elektronisch. Digitale Lichtablenker für bis zu 10 Schaltstellungen sind bereits technisch realisiert.
Zur Aufnahme z.B. des Hologramms H^ in Fig. 7 ist für eine gewünschte
Ablenkung des Signallichtes z.B. zum Empfänger E, eine
weitere Lichtquelle L2 erforderlich. Diese wird dadurch erzeugt,
daß ein Teil des aus dem Lichtablenker DL austretenden Strahles durch den Teilerspiegel T^, über eine Projektionsoptik Pg, einen
Spiegel Sp2 und durch eine Linsenmatrix FlA eine Maske MS beleuchtet,
die für das Licht an der Stelle L2 ein transparentes
Loch enthält.
Der Lichtstrahl tritt dabei durch die Linsenmatrix FlA an einer Stelle FI3 hindurch, die dem aufzunehmenden Hologramm spiegelbildlich
zugeordnet ist. Durch die beiderseits der Maske MS angeordneten Linsen Lij5, Li4 wird das durch die Fliegenaugenlinse
an der Stelle Fl, hindurchtretende Licht gerade auf das Hologramm H* fokussiert. Die Linsen beiderseits der Maske
stellen also ein Abbildungssystem zwischen der Ebene der Linsenmatrix FlA und der Hologrammebene dar. Wird der Lichtablenker
D4 auf eine andere Position gesteuert, dann wird eine andere Linse der Linsenmatrix FlA beleuchtet. Damit wird das
Licht auf ein anderes Hologramm fokussiert. Synchron damit bewegt sich der über die Lichtmodulationsmatrix LM eingespiegelte
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Referenzstrahl zu einem anderen Hologramm IL IL.
Die Stellung der Lichtquelle L^ ist wie bei der Anordnung nach
Fig. 2 spiegelbildlich der Empfangsdiode E, zugeordnet.
Soll nach der Aufnahme eine andere Empfangsdiode angesteuert v/erden, dann muß die Maske entsprechend an anderer Stelle ein
transparentes Loch erhalten. Wegen dieser Undefinierten Stelle des Loches in der Maske muß diese in ihrer ganzen Fläche mit
Licht beleuchtet werden. Dazu dient die Linsenmatrix FlA, die
mit ihren Einzellinsen FH....Fl4 die einfallenden Lichtstrahlen
entsprechend aufweitet. ·
Zur Ergänzung der. optischen Abbildung des Systems ist die L.in-.senmatrix-FlA
beiderseits von Kollimatorlihsen Li5y Li6 umgeben,
die.im Abstand ihrer" Brennweiten f von der Maske entfernt sind.
Zur Aufnahme eines Hologramms für eine gewünschte Signairich~
tung eines bestimmten Eingangskanals'muß also der Lichtablenker
DL in eine Stellung geschaltet werden, durch die ein bestimmtes Hologramm angesteuert wird. .Außerdem muß die Maske JfS zur
Adressierung.des entsprechenden Empfängers an bestimmter Stelle e*in lichttransparentes Loch erhalten. Die Stellung der transparenten
Stelle in der Maske sollte dabei möglich elektronisch steuerbar sein.
Eine Möglichkeit zur praktischen Realisierung einer Eingabe-
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matrix von elektrooptischen Wandlern ist in Fig. 8a und b skizziert. Bei diesem System wird das bekannte Prinzip der
elektrooptischen Lichtamplitudenmodulation benutzt. Eine
besteht
Platte PLD/aus einem Material mit einem longitudinalen elektrooptischen
Effekt. Werkstoffe mit einem solchen Effekt stehen in Form von elektrooptischen Kristallen oder ferroelektrischer
Keramik zur Verfügung. Durch die Einwirkung einer elektrischen Feldstärke auf ein solches Material ändert der Werkstoff seine
optische Doppelbrechung, so daß der Polarisationszustand eines einfallenden Lichtstrahls steuerbar durch die elektrische Feldstärke
moduliert werden kann. Auf der einen Seite der Platte PLO ist daher eine transparente leitende Schicht Sch als Masse-Elektrode
aufgedampft. Die zweite Fläche der Platte ist, entsprechend einer Zahl von MxM Eingangskanälen ES1 mit MxM
Metallelektroden ME belegt. Über jede dieser Elektroden kann
Zustand der durch Anlegen einer Spannung der/Doppelbrechung lokal moduliert
werden. Es wird angenommen, daß eine linear polarisierte Lichtwelle mit einem Polarisationsvektor in der Zeichenebene in die
elektrooptisch^ Platte durch eine Maske MS" mit MxM Löchern
hindurch eintritt. Das Licht durchläuft die Platte und wird an den gegenüberliegenden Metallelektroden ME gespiegelt, so daß
MxM Teilstrahlen in umgekehrter Richtung zurücklaufen und
wieder aus der Platte austreten.
Vor der Platte ist ein doppelbrechendes Prisma PR1 angeordnet, das gleichzeitig die Funktion eines Polarisators und eines Analysators
ausübt. Die optische Achse OA des Prismas wird senkrecht zur Zeichenebene angeordnet. Das einlaufende Licht EW mit der
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Polarisationsrichtung OA1 in der Zeichenebene tritt unter einem
bestimmten durch den ordentlichen Brechungsindex gegebenen Winkel durch das Prisma PR1 hindurch. Ebenso laufen umgekehrt alle
Anteile der Lichtwelle EW, deren Polarisation umgeändert bleiben,
nach Durchlauf durch die elektrooptische Platte PLO unter gleicher Richtung durch das Prisma PR1 zurück. Alle Anteile
des aus der elektrooptischen Platte austretenden Lichtes AW mit zur Zeichenebene senkrechter Polarisationsrichtung 0P2
werden jedoch unter einem anderen Winkel gebrochen und kommen daher unter einem anderen Winkel als das eintretende Licht aus
der Anordnung wieder heraus, da für sie im Prisma der außerordentliche Brechungsindex wirkt. Überall dort also, wo durch
die Einwirkung einer Steuerfeldstärke der Polarisationszustand des Lichtes in der elektrooptischen Platte moduliert wird, treten
unter einem neuen Winkel Signalstrahlen aus der Modulationsanordnung aus.
Diese Anordnung von MxM parallelen Lichtmodulatoren läßt sich
als sehr kompakte Komponente herstellen. Durch den doppelten Durchlauf des Lichtes durch die elektrooptische Platte wird nur
die halbe Spannung für eine 100%ige Modulation benötigt, verglichen
mit einfachem Durchlauf des Lichtes durch einen elektrooptischen Modulator.
Die für die Hologrammaufnahmeanordnung benötigte Schaltmaske kann ähnlich wie die Modulationsmatrix aus elektrooptischen
Material hergestellt werden. Da zu einem Zeitpunkt immer nur
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SO
ein Teilbezirk in der Maske geschaltet werden muß, genügt es hier, eine elektrooptische Platte PLO! mit longitudinalem
Sffekt beiderseits mit streifenförmiges Elektroden ME' und ME"
zu versehen, die auch gekreuzt gegenüberliegen (siehe Figo 9 ). Wird an jeweils eine der Elektroden auf jeder Seite der Platte
eine Spannung U angelegt, dann entsteht nur an dem Kreuzungspunkt der beiden Elektroden eine elektrische Steuerfeldstärke
im Material. An dieser Stelle wird das elektrooptische Material daher doppelbrechend, wenn angenommen wird, daß keine natürliche
Doppelbrechung vorhanden ist, so daß eine Lichtwelle EW, die senkrecht in die Platte eintritt,an dieser Stelle moduliert
wird. Wird diese elektrooptische Modulationsmatrix zwischen gekreuzten Polarisatoren PD1, PD2 angeordnet, also zwischen
einem Polarisator und einem Analysator, dannjkann nur an der Stelle der modulierten Doppelbrechung Licht AW aus dem Analysator
PDp austreten. PO^ und POp bezeichnen die Polarisationsrichtungen.
Bei der Verwendung eines binären Impulscodes für die Signalübertragung
kann ein relativ hohes Übersprechen zugelassen werden. Dann kann die Dichte in den einzelnen Matrizen sehr hoch
gewählt werden, z.B. kann auf einer Fläche von nur 40 χ 40 cm
5
die Zahl der Hologramme bis auf "\0 gesteigert werden, wenn ein Übersprechen von maximal 10 $ zugelassen wird. Der besondere Vorteil der optischen Nachrichtenvermittlungssysteme, ihre große Bandbreite und die Möglichkeit zum Aufbau von sehr
die Zahl der Hologramme bis auf "\0 gesteigert werden, wenn ein Übersprechen von maximal 10 $ zugelassen wird. Der besondere Vorteil der optischen Nachrichtenvermittlungssysteme, ihre große Bandbreite und die Möglichkeit zum Aufbau von sehr
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kompakten Einheiten mit kleinen Abmaßen trotz vieler tausend von Verbindungsmöglichkeiten, könnte daher besonders im Zusam- '
menhang mit einer codemodulierten Signalübertragung zum Tragen kommen.
Abschließend sei darauf hingewiesen, daß im Sinne der Erfindung in einer abgewandelten Anordnung statt des digitalen Lichtablenkers
auch eine Matrix von Laserdioden verwendet werden kann. Das gleiche gilt für die Lichtmodulationsmatrix der Eingangskanäle, die auch im Sinne der Erfindung durch eine Matrix von
gesteuerten Laserdioden ersetzt werden kann.
Patentansprüche:
-22-309833/0676
Claims (1)
- Patentansprüche:.J Koppelfeld für ein Vermittlungssystem mit Eingangs- und Ausgangskanälen von Trägern, deren Modulation oder Demodulationsprodukt vorzugsweise im optischen Bereich liegt,- dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den optischen Ausgängen der Eingangskanäle und den optischen Eingängen der Aüsgangskanäle eine in Stufen oder digital steuerbare Lichtablenkung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit vom Einfallswinkel einen oder mehrere der Ausgänge mit einem oder mehreren der entsprechend angeordneten Eingänge kontaktfrei verbindet.2. Koppelfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als •Lichtablenker ein Hologrammlichtablenker verwendet ist, der in Abhängigkeit vom Einfallswinkel eines Objektstrahls bei der Aufnahme einen oder mehrere Ausgänge mit einem oder mehreren der entsprechend angeordneten Eingänge kontaktfrei verbindet.3. Koppelfeld nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Hologrammlichtablenker Speicherhologramme verwendet sind, deren Interferenzmuster löschbar sind.4. Koppelfeld nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurchumgekennzeichnet, daß optische Signal/Wandler für die elektronischen Signale der Kanäle vorgesehen sind.-23-309833/06765. Koppelfeld nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Matrizen von Lichtleitern eine Matrix von Hologrammlichtablenkern angeordnet ist.6. Koppelfeld nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzstrahl und eine Anzahl von kohärenten Lichtquellen zur Aufnahme des Hologramms und ein signalmodulierter Referenzstrahl zur Rekonstruktion vorgesehen ist, der in Interferenz mit einer der wählbaren kohärenten Lichtquellen auf den gewünschten Äusgangskanal abgelenkt wird.7· Koppelfeld nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere signalmodulierte Referenzstrahlen und mehrere Hologramme vorgesehen sind.8. Koppelfeld nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurchdaß
gekennzeichnet,/zur selektiven Beleuchtung eines Hologramms ein digitaler Lichtablenker und eine Fliegenaugenlinsenmatrix vorgesehen sind und zwischen der Fliegenaugenmatrix und der Hologrammatrix eine elektronisch gesteuerte Schaltmaske angebracht ist.9. Koppelfeld nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmodulation der Ausgangsstufen der Eingangskanäle über einen Spiegel auf die Hologrammatrix lenkbar ist und für den unmodulierten Referenzstrahl ein steuerbarer digitaler Lichtablenker vorgesehen ist, dessen Strahl auf die Fliegenaugenlinsenmatrix gelenkt ist.309833/0676 -24-ΙΟ. Koppelfeld nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ablenkung der optischen Signale auf die Hologrammatrix ein Prisma und ein Spiegel vorgesehen sind.11. Koppelfeld nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmaske eine Platte aus elektrooptischem Material mit z.B. longitudinalem Effekt ist, auf deren Seiten kreuzweise Elektrodenstreifen angebracht und mit an den Elektrodenstreifen anlegbaren Spannungen Kreuzungspunkte auswählbar sind.12. Koppelfeld nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmodulator aus einer Platte aus elektrooptischem Material mit z.B. longitudinalem elektrooptischem Effekt besteht, auf deisi eine Seite eine Matrix von die elektronischen Eingangssignale aufnehmenden Metallelektroden und auf deren andere Seite eine transparente Elektrode angebracht sind.13. Koppelfeld nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Lichtmodulator ein doppelbrechendes Prisma angeordnet ist, einlaufende ebene Lichtquellen aufnimmt und modulierte Lichtstrahlen austreten läßt, deren Polarisation zur Polarisation der ebenen Welle senkrecht gerichtet ist.14. Koppelfeld nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fliegenaugenlinsenmatrix, die Schaltmaske und die Hologrammatrix zwischen zwei Linsen liegen, deren Brennweiten einander gleich sind.309833/0676Lee rseite
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